嵌入式系统中的 NAND 闪存

您可以在众多不同的软件包中为您的嵌入式应用找到 NAND 闪存。 如果您正在设计一款新产品，您可能将其作为两种基本类型的元件——芯片和模块。 这两种产品类型发挥相同的功能，但是包装、功率和性能不同。 如今，太多 NAND 存储选项让人眼花缭乱。 让我们将它们分门别类。

芯片闪存设备具有串行外设接口 (SPI) 或 8 位并行接口，这类型是 NAND 或 NOR 版本。 接下来，有单层式储存 (SLC) 和多层式储存 (MLC) NAND 这两种选择。 我们将关注低成本的 MLC（2 或 3 位/单元）NAND。 NAND 闪存阵列被组织成多个模块。 这些模块中的每一个字节可单独写入，但是单个模块是阵列中可删除部分的最小单位。

MLC 并行 NAND 闪存

飞索 (Spansion, Cypress) 的 S34ML08G1 是带 x8 并行 I/O 的 NAND 芯片的代表产品。 8Gbit、3.3V 的芯片采用 48 针脚 TSOP (12 x 20) 或 63 颗粒 BGA (9 x 11) 封装，并使用版本 1.0 开放式 NAND 闪存接口 (ONFI)。 其价格相对较低，不到 9 美元，可在-40℃~85℃ 的范围内工作，访问时间为 25 微秒。 如今，更新版 ONFI（版本 2.2）是这种设备使用最广泛的规格，它在 2009 年 10 月获批准。更更新版 ONFI 3 的运行速度（每秒钟传输 4 亿次）是 ONFI 2 的两倍。 2011 年 3 月发布的 3.0 版规格使用 1.8V 的电源。 3.0 芯片并未提供太多；但是，128Gbit (16G X 8) ONFI 3.0 设备是 Micron MT29F128G08CB 的一个代表产品。

 

图 1：Spansion 存储器使用 ONFI 兼容接口。 （来能源：www.spansion.com）

内嵌式记忆体 (eMMC) 闪存存储

自从它们首次面世以来，许多智能手机和平板电脑已开始使用 eMMC 闪存存储。 与固态硬盘 (SSD) 使用的 NAND 闪存芯片相同，eMMC 接口专注于低功率——读取或写入仅使用半瓦的功率。eMMC 设备是“管理型 NAND”芯片，可提供工程师不愿意处理的（如果她/他无需处理）数据处理和损耗管理功能。 也许最重要的是，这些芯片具有错误检查和纠正 (ECC) 与坏损区块管理功能。

多年以来，eMMC 设备在读取和写入速度方面有了改进，从 104Mb/秒 (eMMC V4.41) 到 200Mb/秒 (V4.5) 再到 400Mb/秒 (V5.0)。eMMC 基于 8 位并行接口，其接口拓展性能已接近其极限。 16-Gb 的 Spansion S40410161B1 eMMC IC 兼容 JEDEC 4.51 规格。 它使用 3.3 V V_CC 也可选择 1.8V/3.3V V_CCQ 电源。 封装选择包括行业标准的 153 颗粒超微细球栅阵列 (VFBGA)（11.5 x 13mm，0.5mm 颗粒间隔）和更大的 100 颗粒球状矩阵排列 (LBGA)（14 x 18mm，1.0mm 颗粒间隔）。

图 2：东芝 eMMC V5.1 存储器。 （来源：www.toshiba.com/tai）

Toshiba 现在对其 16Gb (THGBMBG7D2KBAIL) 和 32Gb eMMC（版本 5.1）设备进行抽样，接下来是 64Gb 和 128Gb 产品。 这里也可以找到其它的 Toshiba eMCC 芯片。 Micron 提供 100 针脚带状球形光栅阵列 (TBGA) 封装的 MTFC8GACAANA-4M IT 8-Gbyte eMMC V4.5 芯片。 此设备的工作温度范围为 -40℃~85℃，电源电压为 2.7~3.6V。在休眠模式下，该芯片仅耗费 180 微安上的电流。

通用闪存存储

UFS——通用闪存存储——有望成为继 eMMC 之后速度更快的设备。 UFS 使用串行总线和接口标准 (PCIe) 接口。 Toshiba 和 Samsung 是 2 通道和 4 通道版本技术的引领企业。 2 通道提供了总计 5.8 Gb/秒（~725 Mb/秒）带宽，而 4 通道则提供双倍带宽。 UFS 还提供全双工操作（同时读取和写入）和指令队列。 这是电子元件工业联合会 (JEDEC) 规定的标准。

Samsung 将提供 128Gb、64Gb 和 32Gb 的版本。 但是，谈论了这么多关于 UFS 产品，在 2013 的样本和 2014 的生产中，并没有开始正式供应产品。 也许从这点来说，这些芯片仅用于大容量的移动设备。 Toshiba 在其网站上列出了 THGLF2Gxxxxxx 32Gb 和 64Gb 的设备，但迄今为止，仍然没有供应的设备。

SSD 模块

当然，您可以使用标准的 SSD——我称之为嵌入式存储的“模块”侧。 其 2.5 英寸的串行高级技术附件 (SATA) 驱动器成本低且易于处理，但最新小型 M.2 SSD 有望可以嵌入到设备中。 有了 mSATA 和 NVME 接口，这些将使您感到震惊。 M.2 格式的三种不同模块（宽度和长度：22 x 80mm；高度：3.8mm）最受青睐。 其大小相当于一片口香糖的长度。 本质上，除了内部 USB 3.0 接口，M.2 标准是小尺寸的 SATA Express 接口（支持 PCI Express 3.0 和串行 ATA 3.0）。

mSATA 尺寸在主板和手提电脑时代短暂出现过。mSATA SSD 符合 SATA III 规格，其最大性能为 6 Gb/s，看起来很像迷你 PCI-Express 设备，但是两个连接器并不相互兼容。mSATA 已经被逐步淘汰，取而代之的是设计更优良的 M.2。 还有适合主板的 SATA Express 格式的卡，速度较快 (10Gb/s)。 但是，其耐用性如何尚不清楚。 尽管 M.2 格式和互连性很有可能会耐用。 M.2 连接器可插入基于 PCI-Express 和 SATA 的 SSD，但是一般仅使用 PCI-Express。

带 AHCI 或 NVMe 的 PCI-Express SSD

提供许多 M.2 PCI-Express SSD。 它们都有相同的 M.2 连接器，且带 2 通道的 PCI-Express。 有些带有高级主机控制器接口 (AHCI) 软件驱动器，提供反向兼容功能，且广泛支持操作系统中的 SATA。 使用 AHCI 访问 PCI-Express SSD 是一种简单的升级方法，但不能实现 PCIe 接口的最佳性能。 当系统中的主机总线适配器 (HBA) 的目的是为了连接 CPU/存储器子系统和基于硬盘驱动器 (HDD) 的较慢存储子系统时，AHCI 在那时已被开发，当应用到 SSD 设备时，会出现一些内在的低效性。

使用相同的 PCI Express 物理接口时，有些 SSD 支持 NVMe 驱动器——更高的性能和可扩展的主机控制器软件系统，后者利用 PCI Express 的低延迟和并行。

M.2 SSD 的一些示例

Samsung 的 SM951 M.2 SSD 使用 PCIe Gen 3，遵循 AHCI 或 NVMe 协议，并具有 512Gb、256Gb 和 128Gb 的容量。 据称，NVMe 版本提供超快的 2260/1550 Mb/s 连续读取/写入速度（512 Gb 版本）以及高达 300K 的读取 IOPS 速度，这相当于基于 AHCI 的版本的 2 倍速度，且是 SATA 的 SSD 的 3 倍以上速度。 在 90 KIOPS 时，随机读取速度为 4K，这仅比大多数 SSD 稍快一点。 改驱动器采用了 L1.2 低功率待机模式，正如 (PCI-SIG) 所定义的那样，功率降低至低于 2 mW。 在 L1 低功率操作模式下仅损耗 50mW，而全速运行损耗 6.5W。